Quicksort

O algoritmo quicksort é um método de ordenação muito rápido e eficiente, inventado por C.A.R. Hoare em 1960, quando visitou a Universidade de Moscovo como estudante. Naquela época, Hoare trabalhou em um projeto de tradução de máquina para o National Physical Laboratory.
Ele criou o quicksort ao tentar traduzir um dicionário de inglês para russo, ordenando as palavras, tendo como objetivo reduzir o problema original em subproblemas que possam ser resolvidos mais fácil e rápido.
Foi publicado em 1962 após uma série de refinamentos.

O quicksort é um algoritmo de ordenação por comparação não-estável.

O algoritmo computacional 

O quicksort adota a estratégia de divisão e conquista. A estratégia consiste em rearranjar as chaves de modo que as chaves "menores" precedam as chaves "maiores". Em seguida o quicksort ordena as duas sublistas de chaves menores e maiores recursivamente até que a lista completa se encontre ordenada. Os passos são:

 Escolha um elemento da lista, denominado pivô;
 Particiona: rearranje a lista de forma que todos os elementos anteriores ao pivô sejam menores que ele, e todos os elementos posteriores ao pivô sejam maiores que ele. Ao fim do processo o pivô estará em sua posição final e haverá duas sub listas não ordenadas. Essa operação é denominada partição;
 Recursivamente ordene a sub lista dos elementos menores e a sub lista dos elementos maiores;

O caso base da recursão são as listas de tamanho zero ou um, que estão sempre ordenadas. O processo é finito, pois a cada iteração pelo menos um elemento é posto em sua posição final e não será mais manipulado na iteração seguinte.

A escolha do pivô e os passos do Particiona podem ser feitos de diferentes formas e a escolha de uma implementação específica afeta fortemente a performance do algoritmo.

Método de partição de Lomuto 
Método atribuído a Nico Lomuto e popularizado por Bentley em seu livro Programming Pearls e por Cormen et al. no livro Introduction to Algorithms. Este método escolhe um pivô tipicamente no início ou no final do array. O Particiona recebe como parâmetro dois índices do array, lo e hi, que será a parte do array a ser particionada, então escolhe-se um índice i e percorre-se o array usando outro índice j realizando trocas, quando necessário, a fim de que todos os elementos menores ou iguais ao pivô fiquem antes do índice i e os elementos i + 1 até hi, ou j - 1, sejam maiores que o pivô . Esta é a maneira mais simples e fácil de entender, geralmente utilizada como uma introdução ao quicksort, entretanto é menos eficiente que o método Hoare. Este Método decai para O(n2) quando o array já está ordenado ou quando só possui elementos iguais. Existem várias formas para melhorar a eficiência do algoritmo através da escolha do pivô, lidar com elementos iguais, usar outros algoritmos para pequenos arrays como o Insertion sort e assim por diante.

Complexidade 
 Complexidade de tempo:

Comportamento no pior caso 
O pior caso de particionamento ocorre quando o elemento pivô divide a lista de forma desbalanceada, ou seja, divide a lista em duas sub listas: uma com tamanho 0 e outra com tamanho n - 1 (no qual n se refere ao tamanho da lista original). Isso pode ocorrer quando o elemento pivô é o maior ou menor elemento da lista, ou seja, quando a lista já está ordenada, ou inversamente ordenada.

Se isso acontece em todas as chamadas do método de particionamento, então cada etapa recursiva chamará listas de tamanho igual à lista anterior - 1. Teremos assim, a seguinte relação de recorrência:

Se somarmos os custos em cada nível de recursão, teremos uma série aritmética que tem valor , assim, o algoritmo terá tempo de execução igual à .

Comportamento no melhor caso
O melhor caso de particionamento acontece quando ele produz duas listas de tamanho não maior que n/2, uma vez que uma lista terá tamanho [n/2] e outra tamanho [n/2] - 1. Nesse caso, o quicksort é executado com maior rapidez. A relação de recorrência é a seguinte:

que, a partir do teorema mestre, terá solução .

 Complexidade de espaço:  no melhor caso e no caso médio e  no pior caso. R. Sedgewick desenvolveu uma versão do quicksort com partição recursão de cauda que tem complexidade  no pior caso.

Quicksort utilizando dois ou mais pivôs  

Dentre inúmeras tentativas de melhorar a eficiência do quicksort clássico, em 2009 foi proposto por Yaroslavskiy (2009) o Dual-Pivot Quicksort , onde são utilizados 2 pivôs, particionando um array de entrada em 3 partes. Yaroslavskiy demonstra que o uso de dois pivôs é mais eficaz, especialmente quando possui uma quantidade maior de dados de entrada, comprovando a sua vantagem em relação ao algoritmo quicksort clássico.

O algoritmo Dual-Pivot Quicksort, particiona um array de entrada de dados de diferentes dados primitivos (tais como, int, char, double float e long) em três partes, utilizando dois pivôs P1 e P2. Desse modo, estabelecem os seguintes ponteiros, L, K, G e left e right(índices para o primeiro e último elementos).

Segue abaixo a descrição do algoritmo.
 Para pequenos vetores (tamanho < 17) utilizar o algoritmo Insertion Sort.
 Escolha dois pivôs (P1 e P2), podemos escolher por exemplo, o primeiro (a[left]) elemento como P1 e o último como P2.
 P1 deve ser menor do que o P2, caso contrário, eles são trocados. Então, existem as seguintes partes:
 Parte I: com índices elemento mais a esquerda, de left até L-1 contendo os elementos que são menores que o P1.
 Parte II: com índices de L até K-1 contendo os elementos maiores ou iguais a P1 e menores ou iguais a P2.
 Parte III: Com índices de G + 1 até o último elemento a direita, contendo os elementos superiores P2.
 Parte IV: contendo os elementos a ser examinados com índices de K até G
 O próximo elemento na posição K pertencente a parte IV é comparado com os pivôs P1 e P2, e alocado na parte correspondente, I, II ou III.
 Os ponteiros L, K e G são alterados nas direções correspondentes.
 Os passos 4 e 5 são repetidos enquanto G se aproxima de K.
 O pivô P1 é trocado com o último elemento da parte I, o pivô P2 é trocado com o primeiro elemento da parte III.
 As etapas 1 e 7 são repetidas de forma recursiva para cada parte I, II e III.
Também foi demonstrado por Yaroslavskiy que para ordenação de dados primitivos é mais eficiente a utilização do quicksort de 3 partições, sendo o número médio de comparações do Dual-Pivot Quicksort é , e o número médio de trocas é , enquanto a versão clássica do algoritmo Quicksort possui  e , respectivamente.

Uma experimento realizado pelo Budiman, Zamzami e Rachmawati (2017), foi proposto, implementado e realizado experimentos com os algoritmos quicksort clássico e quicksort com dois, três, quatro e cinco pivôs. Analisando os resultados experimentais notou-se que o quicksort com um único pivô é o mais lento entre as cinco. Em segundo lugar, analisando o uso de até 5 pivôs foi comprovado que quanto mais pivôs são utilizados em um algoritmo quicksort, mais rápido seu desempenho se torna. Em terceiro lugar, o aumento de velocidade resultante da adição de mais pivôs tende a diminuir gradualmente.

Comparação com outros algoritmos de ordenação 

O quicksort é uma versão optimizada de uma árvore binária ordenada. Em vez de introduzir itens sequencialmente numa árvore explicita, o quicksort organiza-os correntemente na árvore onde está implícito, fazendo-o com chamadas recursivas à mesma. O algoritmo faz exactamente as mesmas comparações, mas com uma ordem diferente.

O algoritmo que mais se familiariza com o quicksort é o Heapsort. Para o pior caso neste algoritmo temos  Mas, o Heapsort em média trata-se de um algoritmo mais lento que o quicksort, embora essa afirmação já tenha sido muito debatida. No quicksort permanece o caso do pior caso, à exceção quando se trata de usar a variante Intro sort, que muda para Heapsort quando um pior caso é detectado. Caso se saiba à partida que será necessário o uso do heapsort é aconselhável usá-lo directamente, do que usar o introsort e depois chamar o heapsort, torna mais rápido o algoritmo.

O quicksort também compete com o Mergesort, outro algoritmo de ordenação recursiva, tendo este o benefício de ter como pior caso   Mergesort, ao contrário do quicksort e do Heapsort, é estável e pode facilmente ser adaptado para operar em listas encadeadas e em listas bastante grandes alojadas num tipo de acesso lento a média como um Network-Attached Storage ou num disco. Embora o quicksort possa ser operado em listas encadeadas, por vezes escolhendo um mau pivô sem acesso aleatório. A maior desvantagem do Mergesort é que quando opera em arrays, requer  de espaço para o melhor caso, considerando que o quicksort com um particionamento espacial e com recursão utiliza apenas   de espaço.

Bucket sort com dois buckets é muito parecido ao quicksort (quase idêntico), o pivô neste caso é garantidamente o valor do meio do vector.

Implementações

Pseudocódigo 
Em pseudocódigo, o quicksort ordena elementos do índice  até  de um array A pode ser escrito da seguinte forma:
procedimento QuickSort(X[], IniVet, FimVet)
var
   i, j, pivo, aux
início
   i <- IniVet
   j <- FimVet
   pivo <- X[(IniVet + FimVet) div 2]
   enquanto(i <= j)
    |      enquanto (X[i] < pivo) faça
    |       |   i <- i + 1
    |      fimEnquanto
    |      enquanto (X[j] > pivo) faça
    |       |   j <- j - 1
    |      fimEnquanto
    |      se (i <= j) então
    |       |   aux  <- X[i]
    |       |   X[i] <- X[j]
    |       |   X[j] <- aux
    |       |   i <- i + 1
    |       |   j <- j - 1
    |      fimSe
   fimEnquanto
   se (IniVet < j) então
    |  QuickSort(X, IniVet, j)
   fimSe
   se (i < FimVet) então
    |  QuickSort(X, i, FimVet)
   fimSe
fimProcedimento

ou de outra maneira, como:

algorithm quicksort(A, lo, hi) is
    if lo < hi then
        p := particiona(A, lo, hi)
        quicksort(A, lo, p – 1)
        quicksort(A, p + 1, hi)

algorithm particiona(A, lo, hi) is
    pivot := A[hi]
    i := lo - 1    
    for j := lo to hi - 1 do
        if A[j] < pivot then
            i := i + 1
            swap A[i] with A[j]
    if pivot < A[i + 1] then
        swap A[i + 1] with A[hi]
    return i + 1

Python 
Uma versão do algoritmo na linguagem Python 3 poderia ser escrito da seguinte forma:
def quick_sort(a, ini=0, fim=None):
    fim = fim if fim is not None else len(a)
    if ini < fim:
        pp = particao(a, ini, fim)
        quick_sort(a, ini, pp)
        quick_sort(a, pp + 1, fim)
    return a

def particao(a, ini, fim):
    # para uma versão com partição aleatória
    # descomente as próximas três linhas:
    # from random import randrange
    # rand = randrange(ini, fim)
    # a[rand], a[fim - 1] = a[fim - 1], a[rand]
    pivo = a[fim - 1]
    for i in range(ini, fim):
        if a[i] <= pivo:
            a[i], a[ini] = a[ini], a[i]
            ini += 1

    return ini - 1

a = [8, 5, 12, 55, 3, 7, 82, 44, 35, 25, 41, 29, 17]
print(a)
print(quick_sort(a))

C++ 
Uma versão em C++ do primeiro pseudocódigo é expressa da seguinte maneira:

#include <iostream>

void quicksort(int values[], int began, int end)
{
	int i, j, pivo, aux;
	i = began;
	j = end-1;
	pivo = values[(began + end) / 2];
	while(i <= j)
	{
		while(values[i] < pivo && i < end)
		{
			i++;
		}
		while(values[j] > pivo && j > began)
		{
			j--;
		}
		if(i <= j)
		{
			aux = values[i];
			values[i] = values[j];
			values[j] = aux;
			i++;
			j--;
		}
	}
	if(j > began)
		quicksort(values, began, j+1);
	if(i < end)
		quicksort(values, i, end);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	int array[10] = {5, 8, 1, 2, 7, 3, 6, 9, 4, 10};
	for(int i = 0; i < 10; i++)
	{
		std::cout << array[i] << ' ';
	}
	std::cout << std::endl;
	quicksort(array, 0, 10);
	for(int i = 0; i < 10; i++)
	{
		std::cout << array[i] << ' ';
	}
	return 0;
}

Tendo os valores como saída respectivamente, desorganizados e organizados através da função quicksort;
5 8 1 2 7 3 6 9 4 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Há também uma implementação padrão deste algorítimo melhor detalhada no seguinte endereço função qsort

Haskell 
Uma versão do algoritmo em Haskell poderia ser escrito da seguinte forma:quicksort :: (Ord a) => [a] -> [a]  
quicksort [] = []  
quicksort (x:xs) = 
    let smallerSorted = quicksort [a | a <- xs, a <= x]  
        biggerSorted = quicksort [a | a <- xs, a > x]  
    in  smallerSorted ++ [x] ++ biggerSortedPartindo de uma lista inicial [10,2,5,3,1,6,7,4,2,3,4,8,9], teremos:ghci> quicksort [10,2,5,3,1,6,7,4,2,3,4,8,9]  
[1,2,2,3,3,4,4,5,6,7,8,9,10]

V 
// ifirst_part: index of first element of partition
// ilast_part: index of last element of partition
fn partition<T>(mut array_to_sort []T, ifirst_part int, ilast_part int, compare fn (a T, b T) bool) int {
  pivot := array_to_sort[ilast_part]
  mut i := ifirst_part - 1

  for j in ifirst_part..ilast_part {
    if compare(array_to_sort[j], pivot) {
      i++
      //if i != j {
        array_to_sort[i], array_to_sort[j] = array_to_sort[j], array_to_sort[i]
        /*tmp := array_to_sort[i]
        array_to_sort[i] = array_to_sort[j]
        array_to_sort[j] = tmp*/
      //}
    }
  }

  array_to_sort[i + 1], array_to_sort[ilast_part] = array_to_sort[ilast_part], array_to_sort[i + 1]
  /*tmp := array_to_sort[i + 1]
  array_to_sort[i + 1] = array_to_sort[ilast_part]
  array_to_sort[ilast_part] = tmp*/

  return i + 1
}

// ifirst: index of first
// ilast: index of last
fn quick_sort_helper<T>(mut array_to_sort []T, ifirst int, ilast int, compare fn (a T, b T) bool) {
  if ifirst < ilast {
    partition_index := partition<T>(mut array_to_sort, ifirst, ilast, compare)

    quick_sort_helper<T>(mut array_to_sort, ifirst, partition_index - 1, compare)
    quick_sort_helper<T>(mut array_to_sort, partition_index + 1, ilast, compare)
  }
}

fn quick_sort<T>(mut array_to_sort []T, compare fn (a T, b T) bool) {
  quick_sort_helper<T>(mut array_to_sort, 0, array_to_sort.len - 1, compare)
}

fn quick_sort_clone<T>(array_to_sort []T, compare fn (a T, b T) bool) []T {
  mut array_to_sort_clone := array_to_sort.clone()

  quick_sort_helper<T>(mut array_to_sort_clone, 0, array_to_sort_clone.len - 1, compare)

  return array_to_sort_clone
}

Ver também 
 Ordenação de vetor
 Merge sort
 Heapsort
 Selection sort
 Bubble sort
 Busca linear

Ligações externas 
 Rápida aula de quicksort 
Sorting algorithms/Quicksort - Implementação do algoritmo em várias linguagens de programação
 QuickDualPivot.java - Algoritmo Dual Pivot Quicksort disponibilizado pelo autor

Algoritmos de ordenação

no:Sorteringsalgoritme#Quick sort